CS201279B1

CS201279B1 - Fully controllable tyristor

Info

Publication number: CS201279B1
Application number: CS427178A
Authority: CS
Inventors: Oto Valcik
Original assignee: Oto Valcik
Priority date: 1978-06-29
Filing date: 1978-06-29
Publication date: 1980-10-31

Description

Vynález se týká plně ovladatelného tyristoru, umožňujícího mžikové zapínání i vypínání elektrického proudu obou polarit.The invention relates to a fully controllable thyristor which enables instantaneous switching on and off of the electric current of both polarities.

Dosud známé tyristory jsou schopny zapínat elektrický proud obou polarit nebo zapínat i vypínat elektrický proud pouze jedné polarity. V případech, kdy je zapotřebí plně ovládat proud obou polarit, je nutno řadit dosavadní tzv. vypínací tyristory antiparalelně a při komutaci napájecího zdroje znovu spouštět příslušný tyristor. Odpovídající obvodová i konstrukční řešení jsou poměrně složitá a nákladná, nehledě na složitost řešení řady v úvahu přicházejících přechodných jevů. Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny plně ovladatelným tyristorem podle vynálezu, jehož, podstatou je vytvoření dvou antiparalelně zapojených čtyřvrstvých struktur v jedné polovodičové destičce, z nichž každá je opatřena soustavou vysoce členěných řídicích kontaktů, rozmístěných po řídicí bázové vrstvě tak, aby bylo možno nejen sepnout, ale i přerušit průchod proudu po celé její ploše.The known thyristors are capable of switching on the electric current of both polarities or switching on and off the electric current of only one polarity. In cases where it is necessary to fully control the current of both polarities, it is necessary to arrange the so-called tripping thyristors antiparallel and during commutation of the power supply restart the respective thyristor. Corresponding peripheral and structural solutions are relatively complex and costly, despite the complexity of many transient phenomena. The above drawbacks are overcome by the fully controllable thyristor of the present invention, which consists in forming two antiparallel connected four-layer structures in a single semiconductor plate, each provided with a set of highly articulated control contacts distributed over the control base layer so as not only to be switched. but even interrupt the flow of current across its entire surface.

Plně ovladatelný tyristor podle vynálezu představuje polovodičovou součástku, která umožňuje mžikové připojení zátěže ke stejnosměrnému i střídavému zdroji elektrické energie tes ohledu na polaritu napětí, respektive proudu stejně, jakož i její odpojení. Plně ovladatelný tyristor tak dovoluje relativně jednoduše spínat, regulovat i transformovat stejnosměrné i střídavé elektrické napětí a elektrický proud v širokých mezích napětí, proudů, výkonů i frekvencí.The fully controllable thyristor according to the invention is a semiconductor component which enables instantaneous connection of the load to both DC and AC power sources regardless of the polarity of the voltage or current as well as its disconnection. Fully controllable thyristor allows relatively simple switching, regulating and transforming of DC and AC voltage and current within wide limits of voltage, currents, powers and frequencies.

Bezobloukové spínání elektrického proudu a napětí probíhá uvnitř polovodičového tělesa, tedy v pevné fázi, a je ho možno proto uskutečnit v širokém rozsahu teplot. Protože plně ovladatelný tyristor je schopen svou funkcí nahradit prakticky všechny dosud známé bistabilní polovodičové součástky, lze předpokládat, že nalezne široké uplatnění ve všech oblastech elektroniky, zejména výkonové.The arc-free switching of the electric current and voltage takes place inside the semiconductor body, i.e. in the solid phase, and can therefore take place over a wide temperature range. Since a fully controllable thyristor is capable of replacing virtually all of the previously known bistable semiconductor components, it can be expected to find a wide application in all areas of electronics, especially power.

Na připojeném výkresu jsou znázorněny dva příklady provedení plně ovladatelných tyristorů podle vynálezu, kde na obr. 1 je znázorněn detail řezu plně ovladatelného tyristoru s dvojstranné aplikovanou mesastrukturou s geometricky vyhraněným oddělením obou antiparalelně spojených čtyřvrstvých struktur a na obr. 2 je znázorněn řez planárníbo provedení plně ovladatelného tyristorů s geometricky vyhraněným rozdělením obou čtyřvrstvých struktur.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a fully controllable thyristor with a two-sided applied mesastructure with a geometrically delimited separation of the two antiparallel coupled four-layer structures; and FIG. controllable thyristors with a geometrically distinct distribution of both four-layer structures.

Na obou stranách polovodičového tělesa 3 jsou umístěny vždy dvě soustavy elektrických kontaktů, tzv. soustava hlavních kontaktů 4 a 5 a soustava řídicích kontaktů 6 a 7. Soustavy hlavních kontaktů 4, 5 jsou spojeny s hlavními elektrodami 1 a 2, sloužícími pro odvod a přívod elektrického proudu i odvod ztrátového tepla. Protože u plně ovladatelného tyristoru podle vynálezu nelze u elektrod principiálně rozlišovat anodu a katodu jako celek, je používáno nadále rozlišení číslováním elektrod, čtyřvrstvých struktur a kontaktních soustav. Jednotlivé vrstvy jsou číslovány u každé čtyřvrstvé struktury, vždy počínaje řízenou emitorovou vrstvou 311, 321, tedy navzájem z opačné strany polovodičového tělesa 3. Mezi první soustavou hlavních kontaktů 4, spojených s první hlavní elektrodou 1, a druhou soustavou hlavních kontaktů 5, spojených s druhou hlavní elektrodou 2, jsou v polovodičovém tělese 3 vytvořeny první čtyřvrstvá struktura 310 a druhá čtyřvrstvá struktura 320, které jsou navzájem spojeny antiparalelně. Vysokoohmická báze 33, představující v podstatě základní polovodičový materiál bez změny koncentrace příměsí je proto třetí a společnou vrstvou obou čtyřvrstvých struktur 310 a 320. Na druhé vrstvě první čtyřvrstvé struktury 310, nazývané dále první řídicí bázová vrstva 312, je umístěna první soustava řídicích kontaktů 6 tvarovaná plošně tak, že obklopuje obvod první vrstvy první čtyřvrstvé struktury 310, nazývané dále první řízená emitorová vrstva 311. Obdobně z druhé strany polovodičového tělesa 3 na druhé vrstvě druhé čtyřvrstvé struktury 320, nazývané druhá řídicí bázová vrstva 322, je umístěna druhá soustava řídicích kontaktů 7 plošně tvarovaná tak, že obklopuje obvod první vrstvy druhé čtyřvrstvé struktury 320, nazývané druhá řízená emitorová vrstva 321. Řízení emitorové vrstvy 311 a 321 mohou být tvarovány jako souvislé plošné silně členěné oblasti, např. ve tvaru hřebenového uspořádání, nebo mohou představovat navzájem oddělené dílčí elementy, takže čtyřvrstvá struktura se skládá z řady paralelních částečně oddělených struktur typu PNPN. Jejich paralelní propojení se provede až spojením s hlavními elektrodami 1 a 2 (obr. 1) nebo pomocí hlavních kontaktů 4 a 5 (obr. 2). Pro zajištění dokonalého vypínání celé plochy čtyřvrstvové struktury je nutné, aby soustavy řídících kontaktů 6 a 7 obklopovaly po celém obvodu souvisle řízené emitorové vrstvy 311 a 321. Pro zlepšení řídicí funkce je vhodné pod soustavou řídicích kontaktů 6 a 7 vytvořit tzv. subvrstvu 302 (obr. 2), vyznačující se stejným typem elektrické vodivosti jako řídicí bázové vrstvy 312 a 322 a povrchovou koncentrací aktivních příměsí vyšších než 10¹⁸ cm^{1 * 3} a tloušťkou větší než l,«m. V takovém případě postačuje ke kvalitnímu řízení, jestliže řízené emitorové vrstvy 311 a 321 obklopuje po celém jejich obvodu souvisle subvrstva 302. Antiparalelní spojení čtyřvrstvé struktury 310 a 320, bez ohledu na jejich vnitřní členění, mohou být od sebe odděleny natolik vyhraněně, že ve směru kolmém na rovinu přechodů PN mezi jednotlivými vrstvami se střídajícím se typem elektrické vodivosti vždy nalezneme jednotlivé antiparalelní spojení struktury typu PNPN (obr. 1) a nebo rozmístěný tak, že jednotlivé struktury typu PNPN nalezneme jen ve směru šikmém k rovinám uvedených přechodů PN (obr. 2). Rozmístění jednotlivých vrstev a kontaktů na a v polovodičovém tělese 3 je možno realizovat v mesa provedení (obr. 1) nebo v planárním provedení (obr. 2).On both sides of the semiconductor body 3 there are always two sets of electrical contacts, the so-called main contact set 4 and 5 and the control contact set 6 and 7. The main contact sets 4, 5 are connected to the main electrodes 1 and 2 for discharge and supply and dissipation of heat. Since the electrodes cannot be distinguished between the anode and the cathode as a whole in the fully controllable thyristor according to the invention, the numbering of the electrodes, the four-layer structures and the contact systems continues to be used. The individual layers are numbered for each four-layer structure, always starting from the controlled emitter layer 311, 321, i.e. from the opposite side of the semiconductor body 3. Between the first set of main contacts 4 connected to the first main electrode 1 and the second set of main contacts 5 connected to the second main electrode 2, the first four-layer structure 310 and the second four-layer structure 320 are formed in the semiconductor body 3 and are connected to each other in an anti-parallel manner. The high ohmic base 33, constituting a substantially basic semiconductor material without altering the concentration of impurities, is therefore the third and common layer of the two four-layer structures 310 and 320. On the second layer of the first four-layer structure 310, Similarly, on the second side of the semiconductor body 3, on the second layer of the second four-layer structure 320, called the second control base layer 322, a second set of control contacts is disposed. 7 is shaped to surround the perimeter of the first layer of the second four-layer structure 320, called the second controlled emitter layer 321. The control of the emitter layers 311 and 321 may be shaped as continuous, flat, heavily segmented areas, e.g. or they may represent separate sub-elements so that the four-layer structure consists of a series of parallel partially separated PNPN structures. They are connected in parallel only by connection to the main electrodes 1 and 2 (Fig. 1) or by means of the main contacts 4 and 5 (Fig. 2). In order to ensure perfect shutdown of the entire surface of the four-layer structure, it is necessary for the control contact assemblies 6 and 7 to surround the continuously controlled emitter layers 311 and 321. In order to improve the control function, 2), characterized by the same type of electrical conductivity as the control base layers 312 and 322 and a surface concentration of the active ingredients greater than 10 ¹⁸ cm ^{1 * 3} and a thickness greater than 1 m. In such a case, it is sufficient for good control if the controlled emitter layers 311 and 321 surround the sub-layer 302 continuously throughout their perimeter. The antiparallel connections of the four-layer structures 310 and 320, regardless of their internal subdivision, may be separated so clearly that perpendicular to the plane of PN junction between layers with alternating type of electrical conductivity we can always find individual antiparallel connection of PNPN type structure (Fig. 1) or distributed so that individual PNPN type structures are found only in the direction oblique to the planes of PN junction (Fig. 2). The distribution of the individual layers and contacts on and in the semiconductor body 3 can be realized in mesa design (Fig. 1) or in planar design (Fig. 2).

Protože čtvrté vrstvy 314 a 324 čtyřvrstvých struktur 310 a 320 jsou v podstatě spojeny s částí řídicích bázových vrstev 322 a 312, na které jsou umístěny soustavy řídicích kontaktů 7 a 6, je žádoucí pro snížení ztrát (obr. 1), aby vzdálenost mezi soustavami řídicích kontaktů 6, 7 a soustavami hlavních kontaktů 4, 5 připojenými ke čtvrtým vrstvám 324, 314 obou čtyřvrstvých struktur 320, 310 bylo co největší a alespoň 100 ,um.Since the fourth layers 314 and 324 of the four-layer structures 310 and 320 are substantially associated with a portion of the control base layers 322 and 312 on which the control contact sets 7 and 6 are located, it is desirable to reduce the losses (FIG. 1) the control contacts 6, 7 and main contact assemblies 4, 5 connected to the fourth layers 324, 314 of the two four-layer structures 320, 310 were as large as possible and at least 100 µm.

Dále je vhodné, aby čtvrté vrstvy 314 a 324 byly v prostoru mezi čtyřvrstvými strukturami 310 a 320 alespoň zčásti odleptány (obr. 1), nebo zvýšen jejich elektrický odpor, například lokální difúzí aktivních příměsí stejného typu elektrické vodivosti jakou vykazuje společná báze 33. Odleptání i difúzi je možno provést jen do takové hloubky, aby množství zbylých aktivních příměsí bylo vždy větší než množství aktivních příměsí v přilehlé oblasti společné báze 33.Furthermore, it is desirable that the fourth layers 314 and 324 are at least partially etched in the space between the four-layer structures 310 and 320 (Fig. 1), or increased their electrical resistance, for example by local diffusion of active ingredients of the same type of conductivity. even the diffusion can be carried out only to a depth such that the amount of active ingredient remaining is always greater than the amount of active ingredient in the adjacent region of the common base 33.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Fully controllable thyristor utilizing the properties of a four-layer PNPN structure formed in a single crystal semiconductor body by any of the known techniques, in particular high temperature. by multiple diffusion of active ingredients, characterized in that, in a semiconductor body (3), between a first set of main contact states (4) connected to the first main electrode (1) and a second set of main contacts (5) connected to the second main electrode ( 2), a first four-layer structure (310) and a second four-layer structure (320) are provided with an alternating type of electrical conductivity for the individual layers which are interconnected antiparallel to each other and thus have a common third layer, said high ohmic base (33). a second layer of control contacts (6) flat-shaped so as to surround the circumference of the first layer of the first four-layer structure (310), said first controlled emitter layer (2), a second layer of first four-layer structure (310), said first base control layer (312). 311) and on the second layer of the second four-layer structure (320), said second control base layer (3 22), a second set of control contacts (7) is formed flat to surround the circumference of the first layer of the second four-layer structure (320), said second controlled emitter layer (321).

Fully controllable thyristor according to claim 1, characterized in that a sublayer (302) of the same type of electrical conductivity as the first control base layer (312) has a surface concentration of active ingredients higher than at least part of the first set of control contacts (6). greater than 10 ¹⁸ cm ³ and a thickness greater than 1 m.

Fully controllable thyristor according to Claims 1 and 2, characterized in that the sublayer (302) is formed below at least part of the second set of control contacts (7).

4. Fully controllable thyristor according to items 1 to

3, characterized in that the first set of control contacts (6) and either the second set of control contacts (7) or the sublayer (302) surround the first controlled emitter layer (311) and the second controlled emitter layer (321) continuously over their entire circumference.

5. Fully controllable thyristor according to items 1 to

4, characterized in that the first controlled emitter layer (311). and the second controlled emitter layer (321) is continuous or consists of sub-elements formed by local diffusion, epitaxy, ion implantation, casting or etching, which are electrically connected to each other in parallel by either the first set of main contacts (4) and the second set of main contacts (5). ), or by connection to the first main electrode (1) and the second main electrode (2).

6. Fully controllable thyristor according to items 1 to

5, characterized in that the distance between the first set of control contacts (6) and the area of the first set of main contacts (4) which is connected to the fourth layer (324) of the second four-layer structure (320) is greater than 100 µm.

7. Fully controllable thyristor according to items 1 to

6, characterized in that the distance between the second set of control contacts (7) and the area of the second set of main contacts (5) which is connected to the fourth layer (314) of the first four-layer structure (310) is greater than 100 μτα.

8. Fully controllable thyristor according to items 1 to

7, characterized in that at least one of the fourth layers (314, 324) is etched to at least a portion of the space between the first four-layer structure (310) and the second four-layer structure (320) to a maximum depth at which than the product of the concentration and thickness of the common base (33) in the area adjacent to the etched space.

9. Fully controllable thyristor according to items 1 to

8, characterized in that at least a portion of the space between the first four-layer structure (300) and the second four-layer structure (320) changes the type of electrical conductivity in at least one of the fourth layers (314) and (324), for example by local diffusion of active ingredients of the same type electrical conductivity as has a common base (33).